色光对豚鼠巩膜重塑眼球生长和人眼调节系统的作用研究

摘要

近视眼是世界范围内最常见的眼部异常之一,探索近视眼发病的因素及其机制,以指导有效的防治,是当前研究的热点和难点。眼球的生长发育依赖于视觉信号的输入并对其产生反馈性调控,以达到使外界视觉物体在视网膜上清晰成像的目的。视觉信号的不同性质及眼屈光介质客观存在的不规则因素等,可导致视网膜产生模糊影像即视网膜离焦。光环境中不同光谱性质形成的视觉信号可能通过作用于眼球局部(视网膜-脉络膜-巩膜)以及调节系统,进而引起屈光状态的变化。针对视觉物体或光环境中特定波长色光的干预,将有望为临床干预屈光不正提供新的思路。
　　第一部分，色光对豚鼠巩膜重塑与眼球生长的作用
　　第一节，色光对豚鼠屈光发育及脉络膜和巩膜形态的作用
　　目的:探讨430nm短波长光和530nm长波长光对豚鼠眼球屈光发育的作用及脉络膜和巩膜形态的变化。
　　方法:30只2～3周龄健康豚鼠,随机分为三组,分别饲养于530nm单色光照,430nm单色光照及白色光照环境(色温5000K),各光照环境有效光子量均为3×10-4μmol/cm3,光照周期为12/12h。在光照前、光照后4周及8周进行屈光度和眼轴各部分长度测量。光照8周后每组随机处死5只豚鼠,取眼球行光镜和透射电镜检查。对各组不同时间点的数据采用重复测量数据的方差分析,以P＜0.05为有统计学意义。
　　结果:1)光照4周后,530nm光照组较白光组形成-0.08±0.41D近视(P=0.725),430nm光照组较白光组形成1.72±0.78D远视(P＜0.001);光照8周后,530nm光照组较白光组形成-1.20±0.40D近视(P＜0.001),430nm光照组较白光组形成2.15±0.87D远视(P＜0.001)。2)光照4周后,530nm光照组玻璃体腔长度增加0.15±0.08mm,较白光组多增长0.05±0.12mm(P=0.326),430nm光照组玻璃体腔长度增加0.02±0.05mm,较白光组少增加0.09±0.07mm(P=-0.056);光照8周后,530nm光照组玻璃体腔较白光组多增加0.12±0.11mm(P=0.036);430nm光照组玻璃体腔较白光组少增加0.11±0.08mm(P=0.006)。各组前节长度和晶状体厚度随光照时间增加,各时间点各组间未见统计学差异(P＞0.05)。3)光照后8周,530nm光照组巩膜胶原疏松,排列欠整齐,成纤维细胞处于相对静止状态,430nm光照组巩膜胶原纤维排列整齐紧密,成纤维细胞内质网扩张,合成代谢旺盛。4)脉络膜厚度在530nm光照组、430nm组和白光组分别为40.15±10.12μm、41.71±8.2μm和41.29±9.7μm,差异无统计学意义。巩膜的厚度在530nm光照组显著小于白光组(93.91±7.1μmvs.97.46±12.3μm,P=0.008),430nm光照组和白光组之间则无显著性差异(101.32±10.2μmvs.97.46±12.3μm,P=0.057)。
　　结论:不同波长的单色光干预可使豚鼠屈光发育状态发生变化,长波长光可诱导相对性近视,短波长光可诱导相对性远视。眼球对不同波长色光产生的反应,以巩膜变化引起的眼球生长速度改变为主。长波长光较白光使豚鼠巩膜变薄,短波长光与白光对巩膜厚度的影响无显著差异。不同波长色光对巩膜性质的影响有待进一步研究。
　　第二节，色光对豚鼠巩膜生物力学性质和细胞外基质成分的作用
　　目的:研究430nm波长光和530nm波长光光照对豚鼠巩膜生物力学性质和细胞外基质成分的作用。
　　方法:光照后4周及8周时各组处死12只豚鼠纳入研究,其中6只豚鼠的后极部巩膜用于巩膜蠕变量测量。纵向剪取2mm×6mm巩膜条带,安装到CMT6000电子万能试验机,经过预拉伸试验后,在0.05N的载荷下,进行20分钟巩膜条带蠕变过程。蠕变量的计算为(L'-L)/L×100％(L'为800s时的形变量,L为200s时的形变量)。每组各6只豚鼠的一眼用于实时荧光定量逆转录聚合酶链反应,检测巩膜组织中I型胶原蛋白、aggrecan和MMP-2、TIMP-2的mRNA水平表达情况。另一眼用于免疫印迹法蛋白定量,检测巩膜组织中Ⅰ型胶原蛋白和aggrecan的蛋白水平的表达情况。同一时间点上三组之间比较采用单因素方差分析(ANOVA),P＜0.05为差异有统计学意义。
　　结果:1)光照后4周和8周,530nm组巩膜蠕变量均大于白光组(4w,P=0.01;8w,P=0.042);光照后4周时430nm组巩膜蠕变量小于白光组(P=0.021),8周时430nm组与白光组差异无统计学意义(P=0.067)。2)Real-timePCR检测发现:与白光组比较,光照后4周及8周,530nm组巩膜α1(Ⅰ)CollagenmRNA水平降低(4w,P=0.023;8w,P=0.04.8),430nm组巩膜α1(Ⅰ)CollagenmRNA水平无显著差异(4w,P=0.927,8w,P=0.910);530nm组巩膜组织中aggrecanmRNA水平较白光组降低(4w,P=0.037;8w,P=0.015),430nm组巩膜中aggrecanmRNA水平在4周时较白光组升高(P=0.047),8周时与白光组无显著差异(P=0.210):530nm组巩膜组织中MMP-2mRNA水平在光照4周时较白光组升高(P=0.007),8周时升高不明显(P=0.815),TIMP-2mRNA水平较白光组无显著变化(P=0.524,P=0.072),430nm组巩膜中MMP-2mRNA水平与白光组比较无统计学差异(4w,P=0.947:8w,P=0.510),TIMP-2mRNA水平与白光组无显著差异(P=0.375,P=0.810)。3)Western-blot检测Ⅰ型胶原和aggrecan蛋白表达结果与RT-PCR结果一致。
　　结论:不同波长色光引起豚鼠巩膜蠕变性质改变,530nm波长光较430nm及白光使巩膜更易于延展。不同波长光致巩膜细胞外基质成分改变,530nm波长光照下巩膜Ⅰ型胶原蛋白、aggrecan表达水平降低,参与分解代谢的酶MMP-2表达水平上调。色光调控豚鼠眼球生长与巩膜细胞外基质重塑有关,机制有待进一步研究。
　　第二部分，色光对近距调节反应及调节系统模糊敏感度的影响
　　目的:研究不同波长色光对近距静态调节反应及调节系统模糊敏感度的影响。
　　方法:入选12名被试,平均年龄为25.5±3.4岁(20～30岁)。所有入选被试单眼屈光不正的等效球镜度数低于-6.00D,最佳矫正视力达20/20或以上,无双眼视功能异常,色觉正常。在实验过程中均用软性角膜接触镜矫正屈光不正,戴镜后等效球镜度数在±0.25D之内。本实验仅采集右眼数据。被试右眼等效球镜值范围为0D至-4D,平均为-1.23±1.49D。采用3×3阵列空间频率为12c/deg的SnellenE字母作为注视视标,整个视标呈现的视场为2零。根据1931CIE-XYZ标准色度系统的参考值,设置三种色度的视标,字体与背景颜色分别为黑-白(B-W),蓝-黄(B-Y)和红-绿(R-G)。蓝色和红色的主波长分别为440nm和650nm,背景色分别为两者的拮抗色,主波长分别为580nm和510nm。三种视标的平均亮度相同。用Badal系统呈现3D调节刺激水平。用近红外开放视野自动验光仪(GrandSeikoWAM5500)测量调节反应。每隔0.2s连续采集调节微波动数据,连续记录调节反应20秒,以均方根值(r.m.s.)作为调节微波动幅度。在3D调节刺激水平上以0.1D的梯度改变调节刺激水平,监测调节反应,采用t检验法判定调节反应变化点,将能引起调节反应相对于基础水平发生变化的调节刺激最小改变量作为模糊感知阈值。采用重复测量方差分析统计检验注视三种视标时的调节反应、调节反应均方根.值及模糊感知阈值的差异。P＜0.05具有统计学意义。
　　结果:1)在3D调节刺激水平上黑-白、蓝-黄及红-绿视标诱发的平均静态调节反应分别为2.37±0.18D,2.06±0.20D,2.16±0.21D,黑-白视标诱导的静态调节反应高于红-绿视标(P=0.044)和蓝-黄视标(P=0.010);红-绿视标下的调节反应高于蓝.黄视标,差值为0.11±0.03D(p=0.008)。2)在3D调节刺激水平,注视黑-白,蓝-黄,红-绿视标的调节反应均方根平均值分别为0.173±0.027D,0.164±0.035D,0.206±0.014D,黑-白与蓝-黄视标无显著差异(P=0.171),红-绿视标显著大于黑-白(P=0.025)与蓝-黄视标(P=0.021)。3)在3D调节刺激水平,注视黑-白、红-绿及蓝-黄视标的平均模糊感知阈值分别为0.135±0.023D,0.133±0.041D,0.203±0.050D。黑-白视标与蓝-黄视标无显著性差异(P=0.836),红-绿视标显著大于黑-白(P=0.030)和蓝-黄视标(P=0.028)。
　　结论:调节系统对红-绿颜色视标的模糊敏感度和稳定性较蓝-黄和黑-白视标低。不同波长色光可影响近距静态调节反应水平及调节系统模糊敏感度和稳定性。不同波长色光对调节系统模糊敏感度和稳定性的影响趋势一致。短波长视锥细胞和相应色觉信号的参与可能与提高调节系统模糊敏感度及稳定性有关,有待进一步研究。